Применение технологий интеллектуальной сети в управлении потерями электроэнергии в низковольтных трансформаторных зонах

В качестве важного компонента распределительной сети низковольтные зоны распределения (в дальнейшем именуемые "низковольтными трансформаторными зонами") напрямую влияют на экономические выгоды предприятий по снабжению электроэнергией и качество потребления электроэнергии конечными пользователями через проблемы потерь в линиях. Однако традиционные методы управления имеют явные недостатки в точности и эффективности. В этом контексте применение технологий умных сетей предоставляет новые решения для управления потерями в линиях. Введение передовых технических средств не только может существенно повысить уровень детализации управления потерями в линиях, но и поддерживать цели энергосбережения и снижения выбросов, что имеет большое значение для продвижения высококачественного развития в энергетической отрасли.

1.Проблемы потерь в линиях в низковольтных трансформаторных зонах
Проблемы потерь в линиях в низковольтных трансформаторных зонах в основном делятся на технические потери и потери управления. Технические потери возникают из-за внутренних потерь оборудования и операционных ограничений — например, потерь железа и меди в трансформаторах и потерь мощности, вызванных сопротивлением линий. Приняв типичную низковольтную линию распределения как пример, когда площадь поперечного сечения проводника составляет 50 мм², а нагрузочный ток достигает 200 А, потери мощности на километр линии составляют около 4 кВт.

При увеличении площади поперечного сечения проводника до 70 мм² при тех же условиях потери могут быть снижены примерно на 30%. Потери управления, с другой стороны, часто вызваны ошибками учета, хищением электроэнергии или неправильным обслуживанием и эксплуатацией. Например, точность учета традиционных механических счетчиков электроэнергии при малых нагрузках составляет всего около 85%, что значительно ниже, чем у умных счетчиков, которые превышают 99%. Кроме того, трехфазный дисбаланс может существенно увеличить потери в линиях; если трехфазный дисбаланс тока в трансформаторной зоне превышает 15%, коэффициент потерь в линиях увеличится на 2% - 5%. Существование этих проблем указывает на то, что ручная проверка больше не может удовлетворять требованиям детального управления, и интеллектуальные методы необходимы для повышения эффективности управления.

2.Технологии умных сетей, применяемые в управлении потерями в линиях низковольтных трансформаторных зон

2.1 Технология HPLC (высокоскоростная связь по силовым линиям)
Основной принцип технологии HPLC заключается в использовании существующих низковольтных линий распределения в качестве среды связи, модулируя высокочастотные сигналы на линиях питания через схемы согласования для достижения высокоскоростной передачи данных. Эта технология в основном применяется в таких сценариях, как мониторинг состояния линий в реальном времени в трансформаторных зонах, сбор данных об электрической энергии и взаимодействие информации о потреблении электроэнергии пользователей.

При реализации первым шагом является проведение обследования линейной среды трансформаторной зоны для оценки характеристик канала и уровней помех, чтобы определить оптимальную частоту несущей (обычно в диапазоне 1,7–30 МГц) и метод согласования. Затем на низковольтной стороне распределительного трансформатора, в распределительных коробках и счетчиках электроэнергии пользователей устанавливаются специальные согласующие устройства и модули связи HPLC, создавая коммуникационную сеть в пределах трансформаторной зоны. Одновременно развертывается система главного узла, которая бесшовно интегрируется с верхними прикладными системами через преобразование протоколов.

На этапе эксплуатации и обслуживания следует регулярно проводить осмотры и калибровку оборудования, контролировать качество сигнала связи и немедленно устранять любые аномалии. Например, если затухание сигнала несущей превышает 30 дБ или коэффициент битовых ошибок превышает 1×10⁻⁴, следует расследовать наличие неисправностей в линии или источников электромагнитных помех. При необходимости следует скорректировать выходную мощность (обычно в диапазоне от –10 дБм до 30 дБм) или заменить согласующие устройства, чтобы обеспечить стабильную работу системы. 

Для повышения стабильности связи системы HPLC обычно используют адаптивные схемы модуляции, динамически выбирая режимы модуляции в зависимости от качества канала. Различные схемы модуляции различаются по скорости передачи данных, устойчивости к шуму и дальности действия, требуя оптимизации конфигурации в соответствии с колебаниями нагрузки и уровнями шума в трансформаторной зоне. Например, можно включить более высокую модуляцию ночью, когда нагрузка меньше и уровень шума ниже, чтобы повысить пропускную способность данных, а в часы пик днем переключаться на более надежный режим, обеспечивая надежность связи. Таблица 1 приводит сравнение технических характеристик трех наиболее распространенных методов модуляции в системах HPLC, предоставляя справочную информацию для настройки параметров в полевых условиях.

Таблица 1 Сравнение технических характеристик распространенных методов модуляции для HPLC

2.2 Умное устройство для переключения фаз
Принцип работы умного устройства для переключения фаз заключается в измерении трехфазных токов и напряжений, расчете дисбаланса нагрузки в реальном времени, и при превышении дисбаланса установленного порога (обычно 10%–20%) управлении переключением нагрузок для восстановления баланса трехфазных нагрузок. Это устройство в основном применяется на конечных участках зон трансформаторов, особенно в областях с большим количеством однофазных нагрузок.

При реализации:
Во-первых, необходимо выбрать подходящее место для установки — например, в распределительных шкафах или на низковольтной стороне распределительных трансформаторов — чтобы обеспечить удобство монтажа и обслуживания.
Во-вторых, следует провести обследование места установки, чтобы понять распределение нагрузки и рационально настроить мощность выключателя (см. Таблицу 2). В ходе монтажа и наладки должны быть проведены тесты симуляции нагрузки для оптимизации стратегии управления и настроек защиты; например, настройка защиты от перегрузки по току обычно устанавливается на уровне 1.2 от номинального тока.
В-третьих, необходимо улучшить систему мониторинга операций в зоне трансформатора, чтобы обеспечить обмен информацией и удаленное управление устройством переключения.
В-четвертых, на этапе эксплуатации и технического обслуживания следует регулярно проводить профилактические испытания выключателя, чтобы своевременно выявлять и устранять возможные неисправности, такие как механический износ или плохой контакт, обеспечивая безопасную и надежную работу. Кроме того, следует периодически анализировать тенденции изменения нагрузки в зоне трансформатора, чтобы при необходимости корректировать логику управления и параметры настройки выключателя.

Таблица 2 Справочная таблица для настройки мощности умного коммутационного оборудования

2.3 Автоматический регулятор напряжения для низковольтных линий
Основной принцип работы автоматического регулятора напряжения для низковольтных линий заключается в измерении напряжения и тока линии в реальном времени, расчете параметров, таких как сопротивление линии и коэффициент мощности, и автоматическом изменении положения переключателя отводов трансформатора на основе отклонений, чтобы поддерживать выходное напряжение в допустимом диапазоне. Это устройство в основном применяется в низковольтных распределительных сетях, особенно в конечных участках линий, где напряжение склонно к чрезмерному повышению или понижению.

Во-первых, необходимо выбрать подходящее место для установки, например, на стороне низкого напряжения распределительного трансформатора или в секционирующем устройстве, и провести обследование места, чтобы понять радиус питания и распределение потребителей по линии.
Во-вторых, следует определить мощность регулятора (см. таблицу 3) и стратегию управления. В ходе установки и пусконаладочных работ должны быть проведены испытания без нагрузки и под нагрузкой, чтобы проверить точность регулирования напряжения (обычно требуется, чтобы она была в пределах ±1,5%) и время реакции (обычно не более 30 секунд), а также функции защиты, такие как отключение при перенапряжении и недостаточном напряжении.
В-третьих, после пуска в эксплуатацию должна быть разработана комплексная система управления эксплуатацией, четко определяющая требования к осмотру, управлению и обслуживанию, чтобы обеспечить безопасную и стабильную работу регулятора. Например, если однофазное напряжение постоянно отклоняется за пределами ±7% от номинального значения в течение 5 минут, или если трехфазный дисбаланс напряжения превышает 2%, причина должна быть немедленно выявлена и приняты меры по устранению. Анализ данных эксплуатации показывает, что правильно настроенные автоматические регуляторы напряжения могут повысить степень соответствия напряжения на линии на 5-15%, значительно сокращая потери, вызванные нарушениями напряжения.

Таблица 3 Справочник по выбору автоматических регуляторов напряжения для низковольтных линий

3.Применение технологии

3.1 Описание случая и проблемы потерь в линии
Трансформаторная зона A расположена в центральной части старого городского района, с радиусом питания 1,5 км, обслуживая 712 жилых клиентов и 86 коммерческих клиентов. Инфраструктура распределения в этой зоне в основном включает один распределительный трансформатор типа S11-M.RL-400/10 с номинальной мощностью 400 кВА; шесть низковольтных выходящих фидеров — два с проводниками JKLGYJ-120 мм² и четыре с проводниками JKLGYJ-70 мм² — со средней длиной линии 510 метров на каждый фидер; кроме того, имеются четыре кольцевые магистральные блоки HXGN-12 и 18 интегрированных низковольтных распределительных шкафов.

В последние годы из-за местного городского обновления и расширения коммерческих учреждений нагрузка в этой трансформаторной зоне показывала непрерывный рост. Например, в 2018 году пиковая нагрузка достигла 285 кВт, а потребление электроэнергии увеличилось на 7,6% по сравнению с предыдущим годом, однако коэффициент потерь в линии составил 9,7%, значительно превышая управленческую цель 6,5% за тот же период.

При осмотре на месте были выявлены следующие ключевые проблемы:

• Плохой контакт в точках соединения распределительного трансформатора и линий вызвал локальное нагревание и дополнительные потери;

• Неравномерное распределение трехфазной нагрузки, с максимальным дисбалансом, достигшим 18,2%;

• Несанкционированные подключения и хищение электроэнергии некоторыми пользователями;

• Старение измерительных устройств с погрешностью измерения, превышающей ±5%.

Эти факторы в совокупности привели к постоянно высоким потерям в линиях в зоне, создавая серьезную проблему управления.

3.2 Выбор и внедрение технологии
Для решения проблем потерь в линии в трансформаторной зоне A после тщательной оценки была внедрена комплексная система, объединяющая HPLC-коммуникацию, интеллектуальные переключатели фаз и автоматические регуляторы напряжения.

Во-первых, на низковольтной стороне трансформатора были установлены HPLC-разъемы и модули связи, а соответствующее оборудование было развернуто в каждом распределительном шкафу и на приборах учета пользователей, создавая высокоскоростную сеть связи по силовой линии, покрывающую всю трансформаторную зону. Эта сеть позволила осуществлять мониторинг операционного состояния в реальном времени, включая напряжение, ток, мощность на шинах и ветвях, а также такие важные показатели, как температура оборудования и гармонические искажения. Персонал по эксплуатации и техническому обслуживанию мог таким образом своевременно обнаруживать аномалии. Кроме того, данные высокоточного учета энергии предоставили надежную поддержку для анализа и управления потерями в линии.

Во-вторых, на основных распределительных шкафах и ключевых точках нагрузки были установлены шесть интеллектуальных переключателей фаз (с номинальным током до 250 А). Эти переключатели непрерывно измеряли дисбаланс трехфазного тока и автоматически перераспределяли нагрузку, когда дисбаланс превышал 15%, эффективно сбалансировав три фазы. Полевые испытания подтвердили, что переключение выполнялось в течение 30 мс, с плавными переходами, не вызывающими нарушений для пользователей. Через три месяца после ввода в эксплуатацию дисбаланс трех фаз в зоне снизился с 18,2% до 6,5%, а коэффициент потерь в линии снизился на 1,7%.

В-третьих, для решения проблем с напряжением на концах линий был установлен интеллектуальный регулятор напряжения мощностью 200 кВА на расстоянии 710 метров от трансформатора. Регулятор принимает входное напряжение в диапазоне 210–430 В и поддерживает выходное напряжение 220 В ±2%. Он автоматически корректирует свое передаточное отношение на основе измерений напряжения в реальном времени на конце линии, сохраняя терминальное напряжение в допустимом диапазоне. С момента ввода в эксплуатацию регулятор быстро реагировал на различные пики и спады нагрузки, повышая процент соблюдения норм напряжения на девяти ключевых контрольных точках с 87% до более чем 98,5%.

С помощью подхода закрытого цикла управления «мониторинг–управление–оптимизация» эти меры значительно повысили эффективность потерь в линии в трансформаторной зоне A, достигнув оценочной годовой экономии энергии около 120 000 кВт·ч, с заметными экономическими преимуществами. Сравнение ключевых показателей до и после комплексного управления представлено в таблице 4.

Таблица 4 Сравнение ключевых показателей зоны A до и после комплексного управления

На практике следует также обратить внимание на следующие моменты:
Первое, что касается надежности связи HPLC, мощность передачи, кодирование каналов и другие параметры должны быть разумно настроены в зависимости от конкретных условий трансформаторного района; при необходимости можно использовать ретрансляцию для увеличения дальности связи.
Второе, время и логика блокировки операций переключателя фаз должны быть тщательно настроены, чтобы избежать чрезмерных или ошибочных переключений — например, переключатель может быть настроен таким образом, чтобы срабатывать только при превышении дисбаланса 15% и его продолжительности более 3 минут.
Третье, правильный выбор и конфигурация мощности регулятора напряжения должны включать определенный запас, чтобы предотвратить частые регулировки, которые могут вызвать механический износ; см. таблицу 5 для рекомендаций по выбору и конфигурации автоматических регуляторов напряжения.

Таблица 5 Рекомендации по выбору моделей автоматических регуляторов напряжения

Кроме того, высококачественная команда по эксплуатации и обслуживанию также играет критически важную роль в обеспечении долгосрочной стабильной работы системы. Только тесное соответствие реальным потребностям, выбор и оптимизация технических решений с учетом местных условий, а также поддержка их надежной системой управления могут действительно способствовать непрерывному улучшению управления потерями электроэнергии.

4. Заключение
Управление потерями электроэнергии в зонах низковольтных трансформаторов имеет большое значение для улучшения качества электроснабжения и экономической эффективности, а применение технологий умных сетей предоставляет в этом отношении мощную поддержку. В практической работе технологии, такие как HPLC (высокоскоростная связь по силовым линиям), интеллектуальные устройства переключения фаз и автоматические регуляторы напряжения на низковольтных линиях, стали ключевыми направлениями исследований и внедрения. С помощью этих технологий можно реализовать оперативный мониторинг состояния работы зоны трансформатора, динамическое балансирование трехфазных нагрузок и точное регулирование напряжения на конечном оборудовании.

На примере зоны трансформатора A в одном из уездных городов после комплексного лечения уровень потерь электроэнергии снизился с 9,7% до 6,1%, а уровень соответствия напряжения повысился на 11,5%, что привело к значительным экономическим и социальным выгодам.

Однако в текущих технологических приложениях все еще есть области, требующие улучшения, например, дальнейшее повышение помехоустойчивости связи и совершенствование стратегий самонастройки оборудования. В будущем акцент следует сделать на интегрированном проектировании и координированном управлении интеллектуальными устройствами, а также на более глубоком исследовании моделей прогнозирования потерь электроэнергии на основе больших данных и искусственного интеллекта. Кроме того, необходимо усилить техническую подготовку персонала по эксплуатации и обслуживанию, чтобы гарантировать долгосрочную стабильную работу системы. Эти меры обеспечат более эффективные и устойчивые решения для управления потерями электроэнергии в зонах низковольтных трансформаторов.